畢業(yè)設(shè)計（論文）-草莓采摘機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

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1、 果實采摘機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 The Design of Fruit Picking Manipulator’s structure 果實采摘機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 摘 要 果實采摘機械手目前在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中占據(jù)著重要的位置，它不僅僅是衡量一個企業(yè)甚至是一個國家農(nóng)業(yè)發(fā)展水平先進(jìn)程度的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，而且它能夠提高工作效率，從而為人類帶來很高的經(jīng)濟(jì)效益。 本次果實采摘機械手是專門為草莓采摘而設(shè)計的，根據(jù)草莓種植的特點確定了機械手的結(jié)構(gòu)是五自由度，其中包括三個負(fù)責(zé)旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)和兩個負(fù)責(zé)移動的關(guān)節(jié)，并且根據(jù)多渠道的資料參考最終確定了機械手的主要尺寸以及性能參數(shù)。其

2、中最為主要的是電機的選擇，因為電機是整個機械手作業(yè)的動力來源，只有根據(jù)機械手作業(yè)的實際情況、進(jìn)行相應(yīng)的計算，才能夠選擇理想的電機，從而根據(jù)電機對機械手的尺寸進(jìn)行優(yōu)化和整改。在最終方案出來后，可以確定機械手的電機可以滿足作業(yè)需要。 本次設(shè)計通過Pro/E等制圖軟件對機械手進(jìn)行三維建模和運動仿真，通過對機械手薄弱部分進(jìn)行相應(yīng)的校核計算以及機械手運動軌跡的模擬，對機械手的運動行程也進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化，從而可以確定機械手可以滿足作業(yè)需要。 關(guān)鍵詞：果實采摘；機械手；三維仿真；作業(yè)空間 全套圖紙加扣 3346389411或3012250582 I ABSTRACT

3、Fruit picking manipulator is playing a significant role in the field of agriculture at present. Because it is not only a important standard to show the agricultural level of companies or countries, but also could it improve the work efficiency so that the human will get more economic benefit. T

4、his fruit picking manipulator is designed for the strawberry. The manipulator has five degrees of freedom, which includes three rotary joints and two mobile joints. Besides, we also confirm the size of the manipulator in the end. What is the most important is that we have to choose the ideal electri

5、cal machines, which is playing a decisive role in the manipulator’s power, to optimize the manipulator’s size by count and the condition of the moving manipulator. Only in this way, can we improve the manipulator’s performance. Finally, we make sure that the electrical machines of the manipulator ca

6、n fit the bill. Pro/E is used to set up the models of the manipulator in this project. In addition to, what is the most important is that we have to optimize the route of the manipulator by simulating the movement of the manipulator and the strength of the manipulator. Finally, we make sure tha

7、t the manipulator can fit the bill. Key words: Fruit picking; Manipulator; Models; Space 果實采摘機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 目 錄 第1章 緒論...............................................................1 1.1 課題背景...........................................................1 1.2 研究的目的和意義.............................

8、......................1 1.3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀.......................................................2 1.4 國外研究現(xiàn)狀.......................................................3 1.5 發(fā)展趨勢...........................................................4 1.6 課題研究內(nèi)容.......................................................5 第

9、2章 機械手總體方案設(shè)計.................................................7 2.1 對草莓特性的認(rèn)識...................................................7 2.1.1 草莓的種植方式...............................................7 2.1.2 草莓的外貌特征...............................................8 2.1.3 草莓的成熟周期...........................

10、....................8 2.2 機械手總體方案設(shè)計.................................................9 2.2.1 機械手驅(qū)動方案設(shè)計...........................................9 2.2.2 機械手結(jié)構(gòu)方案設(shè)計..........................................11 2.2.3 機械手行程分析..............................................13 2.2.4 機械手工作空間分析........

11、..................................14 2.2.5 機械手采摘方式..............................................15 2.2.6 草莓識別方案................................................16 2.3 本章小結(jié)..........................................................17 第3章 電機選型與計算校核.................................................18

12、 3.1 電機選型參數(shù)指標(biāo)..................................................18 3.2 底座電機選型......................................................19 3.3 大臂俯仰電機選型..................................................20 3.4 腕部旋轉(zhuǎn)電機選型..................................................21 3.5 剪切部分電機選型.....................

13、.............................22 3.6 手臂升降、伸縮電機選型............................................23 3.7 校核..............................................................27 3.7.1 底部軸承校核................................................28 3.7.2 立柱旋轉(zhuǎn)傳動小齒輪校核......................................29 3.7.3 俯仰部

14、分大齒輪傳動軸校核....................................30 3.8 本章小結(jié)..........................................................33 第4章 果實采摘機械手結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計.........................................34 4.1 底座機構(gòu)詳細(xì)設(shè)計..................................................34 4.2 手臂升降機構(gòu)詳細(xì)設(shè)計.......................................

15、.......35 4.3 手臂俯仰機構(gòu)詳細(xì)設(shè)計..............................................38 4.4 手臂伸縮機構(gòu)詳細(xì)設(shè)計..............................................39 4.5 手腕旋轉(zhuǎn)機構(gòu)詳細(xì)設(shè)計..............................................41 4.6 細(xì)節(jié)部分詳細(xì)設(shè)計..................................................42 4.6.1 手部剪切裝置詳細(xì)設(shè)計...............

16、.........................42 4.6.2 采集裝置詳細(xì)設(shè)計............................................43 4.6.3 俯仰處鎖緊機構(gòu)詳細(xì)設(shè)計......................................44 4.7 本章小結(jié)..........................................................45 結(jié)論.....................................................................46 參考文獻(xiàn).

17、................................................................47 攻讀學(xué)士學(xué)位期間發(fā)表的論文和取得的科研成果...............................48 致謝.....................................................................49 III 第1章 緒論 第1章 緒論 第1章 緒論 1.1 課題背景 在計算機技術(shù)以及電子控制技術(shù)迅猛發(fā)展的現(xiàn)代，每個人身邊的每一樣?xùn)|西都離不開它們，都與它們有著極其

18、密切的直接或者間接的聯(lián)系。與此同時，機器人技術(shù)也逐漸被人們所熟知、被人們所運用，毫不夸張地說，機器人在制造業(yè)的各個領(lǐng)域都被大量地使用著，原因很簡單，因為機器人的智能化、自動化，能夠解決人們在生產(chǎn)生活中難以解決甚至是不能解決的困難，能夠在人們所不能存在的環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)，更難能可貴的是，機器人總能夠在與人們工作總量相同的條件下準(zhǔn)確無誤并且高效地完成任務(wù)[1]?？梢哉f，機器人是制造業(yè)等多個行業(yè)上的“萬金油”、“萬能鑰匙”。 然而，在相對工業(yè)較為落后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，機器人的應(yīng)用并沒有像工業(yè)中那么普及、應(yīng)用那么廣泛，原因也很簡單，首先，農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益沒有工業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益高，而機器人帶來的高額的購買、維修和

19、保養(yǎng)費用，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者來說無疑是一筆巨大的投資；其次，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動者的整體素質(zhì)沒有工業(yè)生產(chǎn)勞動者的素質(zhì)高，這里的素質(zhì)并不是說的道德方面，這里的素質(zhì)主要是指受到的教育程度。對我國來說，農(nóng)民干了一輩子或許都是在自家的田地里夜以繼日地勞作，書本對他們來說就是難以觸及的一種東西，即便觸及了，他們也沒有大把時間去學(xué)習(xí)和研究，而工人卻不一樣，所以像機器人種高科技的東西，讓一個農(nóng)民去操作，顯然效果是不理想的。如果要培訓(xùn)農(nóng)民的話，投入的人力物力也是不小的投資。這樣一來，不難看出機器人在農(nóng)業(yè)上難以普及也是有它自己的原因的。因此，有人就針對這種情況，制造出越來越簡單，越來越容易被人接受和使用的機器人。 本次的課

20、題果實采摘機械手屬于農(nóng)業(yè)機器人中最為常見的一種類型，它主要是通過模仿人類整個手部的運動，從而實現(xiàn)人們所需要的功能。它不僅僅能節(jié)省人力物力，并且能夠準(zhǔn)確高效地完成工作。最主要的是它結(jié)構(gòu)相對簡單，因此它在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的前景還是很被人所看好、所青睞的。 1.2 研究的目的和意義 針對前面提到的一些問題，本次果實采摘機械手的設(shè)計以機械手的結(jié)構(gòu)為對象，主要是應(yīng)用于草莓的采摘。草莓是一種營養(yǎng)價值很高的水果，平常在超市看到的草莓，總是令人垂涎欲滴。而作為一種綠色食品，草莓的采摘對于草莓的生產(chǎn)來說顯得尤為重要和突出。草莓的種植具有規(guī)律性，它們都是種植在大棚里面的架子上，或者是外邊田地的架子上，因此機械手的運

21、動也具有一定的規(guī)律性。然后，通過查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料，與此同時要進(jìn)行合理的計算，從而對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。 首先，通過實踐不難知道，草莓的采摘在草莓的整個生長過程中是一項很重要的工程。然而，這些小小的紅撲撲的果實，需要人們一遍遍地在種植場里走來走去，不僅僅消耗人力，而且效率也不高。與此同時，人們采摘時有時因為力量和姿勢的不合理，容易對果實的枝葉造成傷害，從而影響草莓的二次生長。因此在采摘過程中如何防止草莓的枝葉甚至是果實收到傷害往往是人們所考慮得最多的因素。往小了說，草莓的汁水沾在人們的衣服上也不美觀，也不方便清理。因此，機械手可以解決這些問題，它只需要認(rèn)為為它設(shè)定好工作指令，然后便能在不需要消耗

22、大量人力的情況下完成草莓的采摘。這樣一來，對廣大的農(nóng)民，尤其是大批量種植草莓的農(nóng)場來說是福音。 其次，這不僅僅是專業(yè)的知識的整合以及運用，同時也是為了使每一個接觸它的人更全面更直觀地接觸各類機械結(jié)構(gòu)，讓大家與機械拉近距離。本次研究致力于設(shè)計一個最簡單最易懂的機械手，從而使得不僅僅是工人，還有農(nóng)民都能夠更容易更具象地去接觸這類東西，而不是讓它成為拉開工農(nóng)差距的罪魁禍?zhǔn)住Q而言之，就是用“最簡單”的機構(gòu)去完成“最不簡單”的任務(wù)。 1.3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 緩慢、萌芽、有潛力，但是創(chuàng)新點不多，這是目前國內(nèi)研究情況的一個總的形勢以及概括。的確，國內(nèi)的機器人技術(shù)并不是很成熟，應(yīng)該說是屬于剛剛起步的狀態(tài)

23、，就像是一個嬰兒學(xué)走路一樣，看到其他人做什么、就跟著做什么，看到別人怎么做、就跟著怎么做。因此，大多數(shù)時候總是能在國產(chǎn)的一些農(nóng)業(yè)機器人身上看到國外的影子，當(dāng)然，好的技術(shù)是值得借鑒和學(xué)習(xí)，甚至可以照搬過來，但是事實沒有那么簡單，不會有哪個國家愿意把這些核心的技術(shù)全部交出來，如此一來，國內(nèi)研究者只能在他人技術(shù)的基礎(chǔ)上改造成適合自己的一門科技[2]。與此同時，由于國外機器人的發(fā)展?fàn)顩r確實過于領(lǐng)先，以致很大程度上掩蓋了我國機器人技術(shù)發(fā)展的成果，也就是說國內(nèi)機器人發(fā)展是很有潛力的，畢竟往往是落后的一方做出成就更能吸引他人的眼球。 就目前來說，國內(nèi)很多人也意識到了這門技術(shù)的重要性，因為它不僅僅給人耳目一

24、新的感覺，而且它總能如人愿地完成我們的任務(wù)。其中國內(nèi)的先行者也不少，例如在視覺識別系統(tǒng)上有自己獨到思想和研究的中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，敢于突破自己的浙江大學(xué)也在不斷嘗試去增加機器人的自由度至七個,從而進(jìn)行番茄采摘機械手的設(shè)計和研究，以及在機械領(lǐng)域不斷取得新成果的上海交大也開始了黃瓜采摘機器人的研究，他們的努力會給中國的機器人研究不斷注入新的動力、新的能量，他們的不懈也會不斷地激勵其他研究人員參與其中，為中國的發(fā)展竭盡自己的所有。當(dāng)然，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因為國外的發(fā)展并不像暴發(fā)戶一樣一夜之間就崛起的，因此國內(nèi)的研究時間要很久，同時，研究者也不能急于求成，否則會受到負(fù)面的影響。 1.4 國外研究現(xiàn)狀 迅猛

25、、巔峰、遙遙領(lǐng)先，這是國外機器人技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀。這里并沒有崇洋媚外的意思，因為從歷史的發(fā)展上看，自從第一臺西紅柿采摘機器人被美國展現(xiàn)在全世界人眼中以來，已經(jīng)過了二十多年[3]。而這幾十年里，不僅僅是美國，其它的工業(yè)大國，諸如日本、德國等，都不斷地提高、創(chuàng)新了屬于自己的機器人技術(shù)[4]。就像在學(xué)校的很多場合里，播放的大多數(shù)的機器人的錄像資料，幾乎都是美國和日本的，使用的機械手設(shè)計圖冊也幾乎是日本的。 造成這么大的差距并不是說國內(nèi)技術(shù)不如人，最主要的是歷史的沉淀造就的。從蒸汽機到計算機，在工業(yè)迅猛發(fā)展的年代里，我國當(dāng)時與這些技術(shù)并沒有接觸。其次國外參與該技術(shù)的研究人數(shù)也是遙遙領(lǐng)先于國內(nèi)，而發(fā)明

26、創(chuàng)造出來的東西也是數(shù)不勝數(shù)，例如愛爾蘭的七自由度的SCORBOT-ER工業(yè)機器人、出自日本Kondo-N等人之手的黃瓜采摘機器人、96年產(chǎn)于荷蘭的多功能黃瓜采摘機器人(如圖1.1所示)等等[5]。 圖1.1 黃瓜采摘機器人 另一個所不能忽視的根本上的原因就是國外極其激烈的競爭環(huán)境下，促進(jìn)了國外很多企業(yè)不斷地創(chuàng)新和發(fā)展，大家都深知適者生存的道理，所以按理來說只有更強而沒有最強。國外的發(fā)達(dá)國家在這項技術(shù)上可以說是先驅(qū)者，打個比方就是搶跑的博爾特，誰都追不上?？梢哉f國外的技術(shù)達(dá)到的高度不容小覷，但是，國內(nèi)的研究者不能悲觀，畢竟國外的技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了巔峰，除非下一次的科技革命，否則，我國還是有機會迎

27、頭趕上，并能擠進(jìn)前列。 1.5發(fā)展趨勢 我國是一個農(nóng)林大國，而如何在最少的人力消耗的情況下最大程度地實現(xiàn)對農(nóng)作物的采集和收獲是我們義不容辭的任務(wù)。而農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展?fàn)顩r也必將會根據(jù)我國的發(fā)展，一步一步進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。 首先，發(fā)展趨勢最為突出的是環(huán)境的適應(yīng)性會加強。眾所周知我國的國土面積很大，南北、東西跨度都是非常廣闊的。這樣一來就會導(dǎo)致各地的氣候是非常不一樣的，而機器人不可能說一個地方一種類型，一種天氣換一種類型，因為機器人的生產(chǎn)并不便宜。所以，對環(huán)境適應(yīng)性的加強肯定會使得機器人的生產(chǎn)和制造少了很多的麻煩。與此同時，都生產(chǎn)同一種類的機器人有利于維修和保養(yǎng)的集成性，零部件的生產(chǎn)也都更

28、為統(tǒng)一，并且都能有一個標(biāo)準(zhǔn)，從而不會出現(xiàn)混亂的現(xiàn)象，提高了工作效率的同時也帶來了客觀的經(jīng)濟(jì)效益。 其次，農(nóng)業(yè)機器人會越來越簡單，越來越便宜，性價比越來越高。因為根據(jù)實際情況不難知道，實際上操作機器人的是農(nóng)民，而不是科學(xué)家或者技術(shù)精英，假若研究者們把機器人弄得很復(fù)雜，那么農(nóng)民們就將會是操作半天都摸不著頭腦。當(dāng)它的結(jié)構(gòu)簡單后，農(nóng)民們可以自行拆裝，更換零部件，從而延長了機器人壽命的同時不會給農(nóng)民們增加額外的工作量。當(dāng)它的價格便宜后，對收入普遍較低的農(nóng)民來說，入手這樣一個省錢省力的“鐵怪物”也未嘗不是件好事，因為它在自己的經(jīng)濟(jì)承受范圍之內(nèi)。因為對于農(nóng)民來說，衡量利益是他們首要的事情，如果入手這一機器

29、人賺的錢得好幾十年才能抵上機器人本身的價格的話，那么他們是絕對不會考慮這一買賣的。 再次，農(nóng)業(yè)機器人會越來越智能，并且續(xù)航能力將會越來越持久。我們最為理想的狀態(tài)下的機器人肯定是完全脫離人們的操作，能夠自行完成農(nóng)作物的識別、分類、采摘以及收集，這樣一來的話能夠減少人們的參與程度，進(jìn)一步地減少勞動力的輸出。當(dāng)然，要想完全脫離人們的操作，超強的續(xù)航能力也是不容忽略的，因為我們總不想隔三差五地就回來給它充電、換電池，這種工作量是很繁瑣的，然而超強的續(xù)航能力能夠有效避免這一情況的出現(xiàn)。在我看來，機器人能夠智能到自己回位然后自行充電，等到充電完成后又自行工作的話，這就是最為理想的超強續(xù)航能力。 然后，

30、農(nóng)業(yè)機器人的工作精度會越來越高。因為我們知道農(nóng)作物的采集方式很大程度上會影響到農(nóng)作物的生長方式。就拿草莓的采摘來說，定位精度不夠的話，在剪切枝條的時候會傷害到周邊的果實，從而造成不必要的損失。當(dāng)然，力量的控制上也會更為精確，因為過輕了農(nóng)作物無法采摘，過重了對枝條傷害加大，并且對于動力源的消耗也會很大。所以，定位精度以及力量精度的提高，將會很大程度上防止意外的發(fā)生，減少不必要的損失，這都是不容小覷的經(jīng)濟(jì)效益。同時我相信工作精度越高，這樣的機器人將會越受歡迎和更容易被人接受[6]。 最后，農(nóng)業(yè)機器人的抗污能力會越來越強，而且功能會越來越齊全。我們都知道，農(nóng)林的環(huán)境是非常糟糕的，濕則泥污遍地、干則

31、塵土飛揚，那么機器人的清理也是及其費力的，有可能還要涉及到拆裝的過程，這不禁讓人想起小時候拆了東西后就沒裝上的。如果機器人的抗污能力很強的話，就能省下很多的時間。這就要求在機器人的材料上需要下功夫，盡量使用易清潔的材料，并且要在機器人的結(jié)構(gòu)上多琢磨，盡量避免有難以清理到的死角。與此同時，機器人的功能也將越來越豐富，不僅僅是針對一種農(nóng)作物的采摘，并且能適應(yīng)多重農(nóng)作物，而轉(zhuǎn)換也不需要做太大的改動，或許僅僅是需要換個手爪而已。 1.6 課題研究內(nèi)容 課題的研究需要不斷地改進(jìn)和優(yōu)化，因此必須要有一定的計劃和方法，從而保證研究過程的流暢性。 首先，需要做的是文獻(xiàn)資料的檢索和參考。通過在學(xué)校圖書館以

32、及指導(dǎo)教師推薦的網(wǎng)站上查閱與研究課題有關(guān)的國內(nèi)外文獻(xiàn)資料，從而了解并且熟悉自己所做的結(jié)構(gòu)，為今后的設(shè)計鋪好道路。 其次，需要做的是總體方案的設(shè)計。通過建立機械手的功能樹，求解功能元，緊接著列出形態(tài)學(xué)矩陣，從而求得功能解并得出合適的方案。這樣一來設(shè)計的思路就能一目了然，方便之后的計算和整改。 再次，根據(jù)實際作業(yè)情況對機械手的尺寸進(jìn)行選擇并且進(jìn)行三維建模，對機械手的電機進(jìn)行選擇，確定主要的零部件的尺寸，并通過Pro/E等相關(guān)的三維制圖軟件對機械手進(jìn)行三維建模和運動仿真。這樣一來，機械手設(shè)計的合理性以及美觀性就能夠直觀地展現(xiàn)出來。 最后，校核關(guān)鍵部位并且繪制二維圖。每個機械體都有自己薄弱的部位

33、，我們只有保證最薄弱的部位不會出現(xiàn)問題，才能保證整個系統(tǒng)準(zhǔn)確無誤地工作。二維圖則是對機械手最直觀的表現(xiàn)，只有通過多張的二維圖紙才能真正把機械體的結(jié)構(gòu)表達(dá)清楚。 51 第2章 機械手總體方案設(shè)計 第2章 機械手總體方案設(shè)計 2.1 對草莓特性的認(rèn)識 2.1.1 草莓的種植方式 我們在設(shè)計一個機械手，甚至一個機器人之前，我們必須清楚地知道它的用途，知道它是用來做什么的，知道它將會在怎么樣的一種環(huán)境和條件下工作，這都將有利于我們具有針對性地去做好研究和設(shè)計工作。這樣一來我們可以提高工作的效率和工作的積極性。 草莓，是一種市場上經(jīng)常見到

34、的水果，營養(yǎng)價值很高。人們經(jīng)常見到的是加工處理好后擺上貨架上的草莓，它們是沒有枝條的。但是，卻很少有人知道草莓是怎么一種種植方式的。對于我們的機械手來說，了解并且熟悉草莓的種植方式是設(shè)計的前提。草莓一般是在溫室大棚里進(jìn)行種植的（如圖2.1所示），它主要是生長在架子上，架子的高度一般來說在1m~1.8m之間,這樣的一種種植方式具有規(guī)律性，它的規(guī)律性不僅僅體現(xiàn)在它種植到收獲的時間上的規(guī)律性，它主要表現(xiàn)在草莓的種植區(qū)域基本上是一個橢圓或者長方形的生長區(qū)域，因此它的采摘也具有規(guī)律性，只需要圍繞草莓生長的橢圓區(qū)域外圈就能進(jìn)行采摘，人們也通常會在區(qū)域外邊設(shè)有通道。草莓的種植密度不會太大，一般來說理想的種植

35、空間應(yīng)該是株行距保持在10×20厘米，這樣一來，光合作用有了保障，其次草莓也沒必要為了養(yǎng)分而“打架”了。 圖2.1 草莓的種植方式 2.1.2 草莓的外貌特征 在了解草莓的種植方式后，我們還有一項需要了解的東西，那就是草莓它一般是長什么樣的(如圖2.2所示)。顏色是鮮紅色，這自然不需要我多講，而它的顏色也不會對研究造成實質(zhì)性上面的影響。對于外形，我覺得這就是一種常識性的東西了，這里草莓不是說像我們意識形態(tài)里認(rèn)為的那樣，都覺得它們像愛心一樣。那往往是人們對現(xiàn)實情況把握不夠后想出來的東西，但事實上，在大多數(shù)超市里面賣的草莓，如果是長得特別好的，外形一般近似于一頭圓一頭尖的橢圓形，甚至可以說是

36、肥胖的三角形，如果把它近似看成圓，直徑一般在2~4厘米左右，這都已經(jīng)算是大的了。而且草莓的外皮特別地薄，我們在吃它們的時候，不需要像吃橘子、橙子一樣剝皮，而是洗干凈后就能入口即吃了。當(dāng)我們把草莓頭的苗摘下來，這時候往往會連皮帶肉地一起扯下來，這都可以看出來草莓的質(zhì)地是非常柔軟的[7]。 圖2.2 草莓的外形 2.1.3 草莓的成熟周期 首先，對草莓成熟期的熟知非常有利于合理安排機械手的作業(yè)時間，其次，我們可以根據(jù)不同地區(qū)的不同天氣狀況，對機械手采取防護(hù)措施，例如雨天我們可以給機械手加上一塊帆布或者塑料布,霜凍天氣我們可以把散熱系統(tǒng)關(guān)閉，加上防凍的潤滑油等等。 草莓一般來說都是在每年的五

37、月下旬成熟，這是自然生長狀態(tài)下的成熟期，但是，在自然狀態(tài)下生長的草莓往往面臨更多的挑戰(zhàn)，諸如惡劣的天氣狀況、匱乏的養(yǎng)分等，因此，我們通常會在大棚里進(jìn)行栽培，這樣可以大幅度地縮短成熟周期，從而能夠提前上市，一般來說大棚的草莓成熟期都在1~2個月左右。并且果實要比自然生長的更大，甜度也是非常地高。我們通常吃的也都是大棚草莓。 2.2 機械手總體方案設(shè)計 2.2.1 機械手驅(qū)動方案設(shè)計 通過資料的采集發(fā)現(xiàn)，目前的機械手的驅(qū)動方式主要有液壓驅(qū)動、電機驅(qū)動以及電氣驅(qū)動[8]。剛開始對這些系統(tǒng)的驅(qū)動自己都不是太熟悉，液壓系統(tǒng)的知識儲備不是太充足，原理和設(shè)計也只是知道個鳳毛麟角。電機更不用說，雖然平常

38、身邊存在不少電機，但是說實在的，對它也是一竅不通。電氣就更別提了，基本沒有接觸過，就在做一些實驗的時候見到的氣動導(dǎo)軌，即便是近在咫尺，大多數(shù)時候也是我們都會遠(yuǎn)離它。所以，電機的選擇主要是通過不斷查閱相關(guān)資料來選取理想的驅(qū)動元件。 液壓驅(qū)動，它能夠通過對液壓馬達(dá)以及油泵的控制，來使得液壓油提供動力，從而達(dá)到驅(qū)動的目的如圖2.3所示。 圖2.3 液壓機械手 與此同時，對于我們設(shè)計的機械手來說，它能夠提供十分穩(wěn)定的動力，因為它本身的缸體能夠抵抗足夠大的外力，其次液壓油的壓力比較穩(wěn)定，而且提供的動力很大。與此同時，液壓缸是圓柱形的，即便不是圓柱形，它的形狀也是有規(guī)律對稱的，因此采用液壓缸的話，機

39、械手的外形將會十分美觀，在設(shè)計機械手的整體外殼時也能用很簡單的薄殼直接套上即可。然而，事與愿違，我們首先需要考慮到的是，我們的機械手是進(jìn)行草莓的采摘，本身作業(yè)空間就不是很大。其次，機械手本身的設(shè)計原則是小巧簡單，假如我們采用液壓驅(qū)動的話，機械手還得“背著”一個液壓油缸來為系統(tǒng)提供液壓油，這個大家伙重且不說，還占據(jù)了很大的地方。然后，整個機械手的結(jié)構(gòu)還得有油路，油路的設(shè)計也是一門學(xué)問，因為油路深了加工不出來，而且太長的油路會削弱機械手結(jié)構(gòu)的強度，油路短了還到不了預(yù)定地點，因此這就無形地增加了加工的難度以及成本的消耗。最后，液壓系統(tǒng)本身的清潔性能非常不好，如果能長時間保持油路的暢通和封閉的話，那還

40、行，要是出現(xiàn)漏油、灰塵和油污相遇結(jié)塊的情況，對于從事食品采摘的機械手來說，是非常不好的，因為沒有人會喜歡油膩膩、黑漆漆的草莓。因此我們排除了采用液壓系統(tǒng)來配備給機械手。 氣壓傳動，對于設(shè)計的機械手來說，它能夠在短時間內(nèi)提供瞬時的非常巨大的動力。我一開始就沒想過要氣壓傳動，不是因為不熟悉的緣故，主要是因為我們的機械手工作時根本就沒必要有這種瞬時動力的驅(qū)動方式，因為我們的采摘機械手要的就是靈活以及穩(wěn)定，氣壓驅(qū)動感覺上會讓我們的機械手一頓一頓的，類似于卡幀，這都是我們所不希望看到的。與此同時，氣壓傳動時氣缸會發(fā)出很大的響聲，因為氣體的突然間釋放的能量是巨大的，這樣一來，也就是說無形之中這樣一種機構(gòu)

41、會產(chǎn)生大量的噪聲，這不僅僅是一種污染，并且對于每個工作者來說無疑是一種傷害。由此看來，氣壓系統(tǒng)也是在考慮范圍之外的。 電機驅(qū)動，主要是通過電機等元件，通過聯(lián)軸器或者其他元件的連接來帶動整個系統(tǒng)工作。由于我們的機械手屬于比較小型的系統(tǒng)，所以我們一般選用的電機也都比較小，其中像交流伺服電機（如圖2.4所示）、直流伺服電機（如圖2.5所示）以及步進(jìn)電機（如圖2.6所示），它們體積小，占用空間小，而且拆裝方便，更換的渠道和范圍都比較廣。 圖2.4 交流伺服電機 圖2.5 直流伺服電機 圖2.6 步進(jìn)電機 與此同時，作為

42、動力源，電機能提供的動力也是挺樂觀的，像直流力矩電機都是非常不錯的能提供很大力矩的元件。在供電方式上，小型的電機一般來說用一個12V或者24V的蓄電池就能提供電源，假若是需要220V的電壓，那么我們其實可以根據(jù)網(wǎng)上的一些資料，在電機和蓄電池兩者之間假如一個逆變器，從而使蓄電池的輸出電壓能夠滿足需求，這種做法實質(zhì)上就是應(yīng)急電源的一種轉(zhuǎn)換。記得以前寢室沒電，有同學(xué)的電腦支持不了多久，于是也是用上面的方法給筆記本提供了足夠的電力。與此同時，一般來說電機尾端都會安裝一個反饋元件，從而對電機的速度等進(jìn)行實時監(jiān)控，這都為機械手的作業(yè)提供了足夠的安全保障。由此看來，電機是我們所青睞的、所一直追求的較為理想的

43、驅(qū)動元件。 那么我們就得在交流伺服電機、直流伺服電機以及步進(jìn)電機三者之間，針對不同的情況選擇合適的一種，當(dāng)然，整個機械手的系統(tǒng)當(dāng)中肯定用到不止一種電機，所以我們要做的是在這里點明它們之間的優(yōu)缺點，從而決定整個系統(tǒng)應(yīng)該以哪個電機為主。 對于交流伺服電機來說，放在整個機械手系統(tǒng)中可以提供非常穩(wěn)定的速度,可以實現(xiàn)平滑控制，在其調(diào)控范圍之內(nèi),傳動效率可以達(dá)到90%。在其的運行區(qū)域內(nèi)可以實現(xiàn)恒等力矩的轉(zhuǎn)換，不會產(chǎn)生摩擦的損耗，這都可以減少經(jīng)濟(jì)上的消耗。但是，從幾本電機的參考資料上來看，交流伺服電機的體積相對比較大，供電一般來說要滿足機械手作業(yè)要求的都要220V電壓才行，最需要考慮的是它的重量也不小，

44、所以放在機械手手臂上的話無疑會增加力矩[9]。與此同時，交流伺服電機的接線較為復(fù)雜，參數(shù)的設(shè)定都要現(xiàn)場的調(diào)試才行，因此可操作性不是太強。 對于直流伺服電機來說，它的使用原理都是大家耳熟能詳?shù)模僮魈貏e簡單，維護(hù)和更換的渠道都特別廣泛。最難能可貴的是它的速度控制精度很好，轉(zhuǎn)矩速度特性也是非常理想的，現(xiàn)在也有直流力矩電機，都可以滿足各種力矩場合下的作業(yè)要求。但是，直流伺服電機本身的磨損消耗是比較嚴(yán)重的，而且相對容易進(jìn)灰，需要做好防塵的準(zhǔn)備。 對于步進(jìn)電機來說，它的控制精度是前面兩種電機所不能匹及的，其次，它的體積小，重量輕，能實現(xiàn)的力矩傳遞也十分可觀。只需要根據(jù)自己的需要給它相應(yīng)的脈沖，就能實

45、現(xiàn)速度上的精確控制。我最看好步進(jìn)電機的是它的自鎖能力，在斷電的情況下，它本身會對電機軸有一個鎖緊力矩，從而防止電機軸做無謂的轉(zhuǎn)動。 根據(jù)三種電機的比較，我決定這次的機械手是以直流電機和步進(jìn)電機為主。 2.2.2 機械手結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 機械手的自由度決定了它的作業(yè)空間和范圍，這也是全世界的科學(xué)家們所絞盡腦汁要研究的一個問題，同時這也是我們?nèi)祟愒O(shè)計的機械手永遠(yuǎn)比不上人類自己的手靈活，這是因為我們?nèi)祟愖约旱氖值年P(guān)節(jié)（同于機械手的自由度）非常多，而且各個關(guān)節(jié)之間的調(diào)控都是非常井井有條的。 通過查閱資料了解到草莓大棚以及草莓種植架的基本構(gòu)造后，考慮到能夠充分地覆蓋到草莓架上的每一個成熟的草莓，從而

46、基本確定了機械手是由5個自由度組成的，如表2.1所示。 表2.1 機械手的自由度的選擇 自由度1 自由度2 自由度3 自由度4 自由度5 底座的 旋轉(zhuǎn) 手臂的 升降 手臂的 俯仰 手臂的 伸縮 手腕的 旋轉(zhuǎn) 每個自由度的確定都有它的作用，確定了5個自由度也是考慮到了機械手在進(jìn)行草莓采摘時所能涉及到的工作需求。就在確定了自由度后，機械手的工作原理也就能夠隨之確定，與此同時我也繪制了機械手的原理圖如圖2.7所示。 圖2.7 機械手結(jié)構(gòu)原理圖 底座的旋轉(zhuǎn)主要是實現(xiàn)機械手在平面上的一個面對草莓架的一個錐形空間上的作業(yè)范圍，因為我們機械手的基本的移動靠的就是小車，我

47、們不能要摘哪片的草莓就把小車停在哪片草莓的面前，這樣是很麻煩，而且作業(yè)空間是很小的。如果底座能旋轉(zhuǎn)的話，機械手的作業(yè)范圍就不僅僅是面前的草莓，周圍一定范圍內(nèi)的草莓也都能采摘到；手臂的升降主要是實現(xiàn)對不同生長高度的草莓都能夠進(jìn)行采摘，由于我們的機械手的水平工作空間是有限的，如果手臂能升降的話，對于架子上不同高度的草莓都能實現(xiàn)采摘；手臂的俯仰是為了實現(xiàn)對不同生長高度的草莓的采摘進(jìn)行精確的定位，再一個就是為機械手的采摘提供一個垂直面上的錐形空間，從而避免手臂頻繁地做升降運動；手臂的伸縮是為了彌補手臂俯仰時造成的機械手與草莓之間距離的誤差，因為手臂俯仰的軌跡是一個圓形，當(dāng)它有一定的俯仰角度后，和草莓的

48、水平距離就會加大，這時候手臂的伸縮就能很好地進(jìn)行這個加大距離上的補償；手腕的旋轉(zhuǎn)是為了加強機械手的避障能力，因為草莓枝條的位置是十分混亂且沒有規(guī)律的，為了避開不在工作要求內(nèi)的枝條，手腕的旋轉(zhuǎn)能夠甩開多余的枝條，從而能夠很好地解決這個問題。 2.2.3 機械手行程分析 機械手的采摘范圍是由機械手各個部分的行程來確定的，我們在確定機械手各個部分行程的時候要根據(jù)具體的情況來選擇合理的行程，例如草莓架的高度，草莓生長的密度等等。假若行程小了，可能造成機械手采摘的范圍不能滿足作業(yè)的需求，并且還會增加沒有必要的運動。行程大了的話可能會造成材料的浪費，因為材料的多少和行程的大小是有關(guān)系的，如果你有10%

49、的行程是無用的，那么就說明你加工制造出來的這10%的材料是沒有用的，與此同時，行程大了會使得機構(gòu)不合理，例如手臂伸縮行程太大，伸出去太長可能就會使機械手有往前傾的力，以致影響了機械手的穩(wěn)定性。綜合以上的諸多因素，對機械手行程的選擇如表2.2所示。 表2.2 機械手的行程選擇 底座旋轉(zhuǎn) 手臂升降 手臂俯仰 手臂伸縮 手腕旋轉(zhuǎn) ±360° ±1m ±60° ±220mm ±360° 底座選擇±360°是為了能讓機械手在平面范圍內(nèi)有最廣的作業(yè)覆蓋范圍；手臂升降的范圍是考慮到草莓架的高度，一般是1m~1.4m之間，而我們的底座就有將近400mm的高度了，所以手臂升降的選擇是合

50、理的；手臂的俯仰考慮到了手臂降到最低處時，俯擺角度超過60°的時候會和底座有干涉，所以這個角度是合理的；手臂的伸縮主要是起到距離補償?shù)淖饔?，所?20mm也足夠了；手腕的旋轉(zhuǎn)能夠正反轉(zhuǎn)360°就是我們最理想的狀態(tài)了。 2.2.4 機械手工作空間分析 我們確定了機械手的工作行程后，就能對其工作空間，也就是工作范圍有了全面的認(rèn)識和了解。其中我們可以把它分為幾個部分，主要包括旋轉(zhuǎn)方向工作范圍（如圖2.8陰影所示）、豎直方向和伸縮方向工作范圍（如圖2.9陰影所示）、俯仰方向工作范圍（如圖2.10陰影所示）由于腕部的旋轉(zhuǎn)不能提供距離上的范圍，所以在這里忽略不計[10]。 圖2.8 旋轉(zhuǎn)空間

51、圖2.9 豎直、伸縮方向空間 圖2.10 俯仰空間 從三個坐標(biāo)圖中我們不難看出手臂的伸縮能做到的距離上的補償范圍也是不小的，并且能夠很好地為草莓的采摘增加了作業(yè)面積。 2.2.5 機械手采摘方式 機械手的采摘方式可以分為很多種，最常見的是吸附式（如圖2.11所示）、抓拉式（如圖2.12所示）以及剪切式（如圖2.13所示）。 圖2.11 吸附式 圖2.12 抓拉式 圖2.13 剪切式 我們從圖2.11中不難看出，吸附式的采摘機械手主要是依靠中間的一個吸附裝置，一般來說都是可以創(chuàng)造真空的裝置，這樣一來，裝置一啟動就會把果實

52、吸過來，然后通過三個手爪對果實進(jìn)行抓緊，然后通過拉力、或者是在手爪的部分增加一個剪斷裝置，從而對果實進(jìn)行摘取。圖2.12中的抓拉式采摘手，實質(zhì)上就是少了真空吸附裝置的吸附式的采摘手，抓拉式的采摘手對三個手爪之間運動的配合性有較高的要求，與此同時，抓拉式的采摘手對果實的定位精度要求比較高，因為它必須得感應(yīng)到果實在什么地方了才能實施采摘。相對于前面兩種采摘手來說，圖2.13里面的剪切式采摘手要更為快捷，因為它只需要到達(dá)果實所處的位置，把枝條剪斷，然后再設(shè)計一個采集裝置對剪斷后掉落下來的果實進(jìn)行收集。最為關(guān)鍵的是，剪切式的手爪對草莓枝條的傷害已經(jīng)是降到了最低，可以說是沒有傷害的，因為剪切力只是作用在

53、采摘的那個草莓的枝條上，而對整個草莓的種植系統(tǒng)不會造成影響，不會說因為拉得太猛而使得草莓架搖搖欲墜。因此，本次設(shè)計的機械手采用的是剪切式的采摘方式，利用其類似于剪刀的原理，通過兩個剪切片對草莓枝條進(jìn)行剪切。 2.2.6 草莓識別方案 我們進(jìn)行草莓采摘的時候不可能對每個草莓都進(jìn)行采摘，即便是到草莓成熟的季節(jié)，也不可能做到整個棚里的草莓都成熟了，我們必須對草莓進(jìn)行識別，從而區(qū)別成熟和不成熟的草莓，從而使得采摘的正確率得到提升[11]。 我覺得在腕部的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處安裝一個可以進(jìn)行顏色識別的攝像頭。安裝在腕部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處是因為這樣安裝的攝像頭可以隨著腕部的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，從而能增大攝像頭的監(jiān)測范圍。用到

54、了顏色識別主要是根據(jù)成熟草莓與不成熟草莓的顏色上的差異，一般來說成熟草莓的顏色是鮮紅色的，而不成熟草莓是綠色然后還有點偏白色。這樣一來，在大范圍的監(jiān)控區(qū)域內(nèi)就能通過顏色的不同對草莓進(jìn)行正確的采摘了[12]。由于草莓的識別不在本次的結(jié)構(gòu)設(shè)計范圍之內(nèi)，所以該處設(shè)計不會影響設(shè)計的內(nèi)容。 2.3 本章小結(jié) 本章主要是對機械手的方案有個初步的確定。首先是驅(qū)動元件的確定，通過電機來驅(qū)動整個系統(tǒng)，并且系統(tǒng)是以直流伺服電機和步進(jìn)電機為主。其次是確定了機械手的自由度，機械手總共有5個自由度，包括底座的旋轉(zhuǎn)、手臂的升降、手臂的俯仰、手臂的伸縮以及手腕的旋轉(zhuǎn)，基本上可以覆蓋任何范圍內(nèi)的草莓。再者是確定草莓采摘的

55、方式，采用了剪切的方式，利用其類似于剪刀的原理，對草莓進(jìn)行無傷害的采摘。最后就是確定了草莓的識別方式，主要是通過攝像頭的顏色識別功能，對成熟草莓和不成熟草莓進(jìn)行識別?？偟膩碚f，方案的初步設(shè)定有利于下一步的結(jié)構(gòu)設(shè)計，為下一步的結(jié)構(gòu)設(shè)計鋪好了道路，指明了方向。 第3章 電機選型與計算校核 第3章 電機選型與計算校核 3.1 電機選型參數(shù)指標(biāo) 機械手對電機的選擇有嚴(yán)格的要求，其中主要有幾個重要的參數(shù)[13]。 1、 轉(zhuǎn)速 通過研究知道作為驅(qū)動元件，是為了能夠帶動系統(tǒng)工作，那么對于做旋轉(zhuǎn)運動的物體，它都會有一個轉(zhuǎn)動的速度，而這個速度主

56、要是依靠電機來給予的。所以當(dāng)我們確定了物體的最基本的轉(zhuǎn)速后，對電機的轉(zhuǎn)速也會有相應(yīng)的要求，對電機轉(zhuǎn)速過大的我們都會在電機前面加一個減速箱，或者是在其傳動鏈上增加一組用來減速的齒輪傳動?，F(xiàn)在也有很多的電機生產(chǎn)廠家都有生產(chǎn)配套的電機和減速箱，我們一般稱這樣的配套的驅(qū)動裝置為減速電機。 2、 扭矩 因為電機基本上都是在有負(fù)載的情況下工作的，那么對于任何旋轉(zhuǎn)的物體，包括電機軸，都會有因為旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的扭矩。那么我們在選擇電機的時候需要考慮到電機的輸出轉(zhuǎn)矩是否能夠滿足系統(tǒng)的要求，過小了可能會造成電機無法帶動負(fù)載工作，我們稱這種情況為過載。一般來說我們都會選擇輸出扭矩比負(fù)載扭矩要大的電機，這樣一來可以保

57、證扭矩的輸出以及應(yīng)對突然的超載的情況。在這方面交流伺服電機是比較優(yōu)秀的，因為它的過載能力十分突出，而且輸出扭矩都相對平穩(wěn)。 3、 功率 通過研究不難知道電機的輸出扭矩越大，它的輸出功率就越小，這樣一來，我們就不能單純地通過扭矩來選擇電機，因為有可能我們的轉(zhuǎn)矩滿足要求了，但是功率卻不滿足要求，這樣一來將會出現(xiàn)電機空轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。 4、 慣量 慣量的原理和扭矩是一樣的，都是因為物體的旋轉(zhuǎn)會給電機軸產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)動慣量，但是我們在選擇電機的時候，一般來說著重考慮的都是扭矩和功率，只要這兩項滿足了，慣量也會滿足。 這次機械手的電機主要是交流伺服電機、直流伺服電機以及步進(jìn)電機，它們雖然都是電

58、機，但是在實際使用起來的差別還是相對較大的。所以我們需要根據(jù)不同的關(guān)節(jié)部分的具體情況來選擇合適的電機。 3.2 底座電機選型 已知條件：，，，，=4kg； ，，，=12kg。 預(yù)設(shè)條件：大齒輪的轉(zhuǎn)速：r/min，達(dá)到預(yù)定速度的響應(yīng)時間：t=0.1s。 首先，根據(jù)預(yù)設(shè)的大齒輪的轉(zhuǎn)速來確定減速箱的減速比，其中，需要先求出小齒輪的轉(zhuǎn)速，小齒輪的轉(zhuǎn)速可以通過傳動比來求得，見式（3-1）。 （3-1） 式中 i——齒輪傳動比； ——小齒輪齒數(shù)； ——大齒輪齒數(shù)； ——小齒輪轉(zhuǎn)速（r/min）； ——大齒輪轉(zhuǎn)速（r/min）。

59、 小齒輪的轉(zhuǎn)速為： 其次，需要計算負(fù)載轉(zhuǎn)矩，通過負(fù)載轉(zhuǎn)矩可以通過電機的輸出轉(zhuǎn)矩去選擇電機，與此同時還能算出電機所需的輸出功率。負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計算如下： 由于齒輪和軸進(jìn)行組合后可以看成是圓盤狀，所以可以計算兩個齒輪的回轉(zhuǎn)慣量： （3-2） 式中 ——回轉(zhuǎn)慣量（）； ——物體重量（）； ——齒輪直徑（）。 由式（3-2），已知=10，=60，=0.116，=0.396，則： 由于底座是齒輪傳動，則總的回轉(zhuǎn)慣量的計算見式（3-3）。

60、(3-3) 式中 ——齒輪傳動比； 所以，在這里可以算出總的回轉(zhuǎn)慣量： 這樣一來就可以根據(jù)回轉(zhuǎn)慣量算出負(fù)載轉(zhuǎn)矩，見式（3-4）。 （3-4） 式中 ——負(fù)載轉(zhuǎn)矩（）； ——物體回轉(zhuǎn)慣量； ——物體轉(zhuǎn)動速度； ——響應(yīng)時間（）； 其他符號同前。 再根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩便可以求出所需功率，見式（3-5）。 （3-5） 式中 ——功率（）； ——物體轉(zhuǎn)動速度； ——負(fù)載轉(zhuǎn)矩； 其他符號同前。 所以，由式（

61、3-4）： 再由式（3-5），所需功率： 選擇安全系數(shù)，所以，。 這樣一來，由計算結(jié)果知道了電機的所需功率以及所需的輸出轉(zhuǎn)矩，在此為底座的電機初選為：常州市松崗電機有限公司生產(chǎn)的DC MOTOR系列電機，型號為Z2D15-24GN，基本參數(shù)為：電壓24V，功率15w，空載轉(zhuǎn)速3300r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)速3000r/min，重量0.9kg，電池壽命2000h；配套的減速箱：減速比1：60，輸出轉(zhuǎn)矩1.72N·m，輸出轉(zhuǎn)速55r/min，重量0.33kg；電機效率，所以電機輸出轉(zhuǎn)矩，輸出功率14.25w，因此電機符合要求。 3.3 大臂俯仰電機選型 已知條件：，，，，；，

62、，，。 預(yù)設(shè)條件：俯仰的速度，達(dá)到預(yù)定速度的響應(yīng)時間：。 由式（3-1），傳動比： 再由式（3-2），已知：，，，，則轉(zhuǎn)動慣量： 再由式（3-3），物體總的轉(zhuǎn)動慣量： 再由式（3-4），物體轉(zhuǎn)矩： 最后由式（3-5），所需功率： 選擇安全系數(shù)，所以，。 根據(jù)上面的計算結(jié)果，電機初選為：溫州泰河機電有限公司生產(chǎn)的交流同步電機型號為TY-TJZ60，基本參數(shù)為：電壓24V，功率14w，輸出轉(zhuǎn)速30r/min，輸出轉(zhuǎn)矩0.49N·m，重量1.1kg；電機效率，所以電機輸出轉(zhuǎn)矩，輸出功率12.6w，因此電機符合要求。 3.4 腕部旋轉(zhuǎn)電機選型 已知條

63、件：帶動旋轉(zhuǎn)的剪切部分的外形是一個立方體，其中長，寬，高，重量。 預(yù)設(shè)條件：旋轉(zhuǎn)的速度，達(dá)到預(yù)定速度的響應(yīng)時間。 對于立方體，它的轉(zhuǎn)動慣量的計算是有所不同的，見式（3-6）。 （3-6） 式中 ——物體轉(zhuǎn)動慣量； ——物體質(zhì)量； ——立方體長（）； ——立方體寬（）； 其他符號同前。 因此，腕部帶動的剪切部的轉(zhuǎn)動慣量由式（3-6）： 再由式（3-4），物體的轉(zhuǎn)矩： 最后由式（3-5），所需功率： 選擇安全系數(shù)，故，。 根據(jù)上面的計算結(jié)果，電機初選為：溫州泰河機

64、電有限公司生產(chǎn)的交流同步電機型號為TY-TJZ60，基本參數(shù)為：電壓24V，功率14w，輸出轉(zhuǎn)速30r/min，輸出轉(zhuǎn)矩0.49N·m，重量1.1kg；電機效率，所以電機輸出轉(zhuǎn)矩，輸出功率12.6w，因此電機符合要求。 3.5 剪切部分電機選型 首先，需要計算的是手爪的剪切力（如圖3.1所示），計算的過程和方法如下[14]。 圖3.1 剪切手爪結(jié)構(gòu)示意圖 在設(shè)計出剪切手爪之后，對手爪的各個參數(shù)也都能知道，其中，，，于草莓的枝條很細(xì)，所以剪切力不需要太大，只需要就可以了。計算的公式見式（3-7）。 （3-7） 由式（3-7），手部的驅(qū)

65、動力： 求得手部的驅(qū)動力后，就可以對電機進(jìn)行選擇，已知的條件：對齒條來說：長度；對齒輪來說：，，，。 對于齒輪齒條的傳動來說，計算方式與前面的兩個齒輪傳動略有不同，齒輪的輸出轉(zhuǎn)動力矩計算見式（3-8）。 （3-8） 根據(jù)式（3-8），便可以求出齒輪的輸出力矩： 接下來，需要計算的是電機的輸出功率，計算公式見式（3-9）。 （3-9） 式中 ——功率（）； ——負(fù)載力（）； ——速度（）； ——傳動效率，這里取。

66、 由式（3-9），便可以求出電機的功率： 選擇安全系數(shù)，故，。 根據(jù)上面的計算結(jié)果，初選電機為奧悅達(dá)步進(jìn)電機，型號AYD3402A45A，基本參數(shù)：電機靜力矩，步距角，電流，電壓，轉(zhuǎn)動慣量，重量；電機效率，所以電機輸出轉(zhuǎn)矩，輸出功率136w，因此電機符合要求。 3.6 手臂升降、伸縮電機選型 滾珠絲杠副的電機選擇過程十分復(fù)雜，因為它考慮的因素要更多，所需要的相關(guān)的參數(shù)數(shù)據(jù)也更多。在這里首先計算的是負(fù)載力矩，主要包括切削負(fù)載力矩，摩擦負(fù)載力矩以及附加負(fù)載力矩，其中切削負(fù)載力矩是絲杠進(jìn)給時候所產(chǎn)生的，摩擦負(fù)載力矩則是由絲杠進(jìn)給過程中各部件之間的摩擦力造成的，附加負(fù)載力矩是由滾珠絲杠的預(yù)緊力造成的[15]。 對于切削負(fù)載力矩，見式（3-10）。 （3-10） 式中 ——進(jìn)給過程中產(chǎn)生的軸向力（）； ——絲杠轉(zhuǎn)一圈物體的移動距離（）； ——傳動效率，一般取0.90； ——傳動比。 在上式中，有一個絲杠的傳動比，計算見式（3-11）。